申请/专利权人：西南石油大学

申请日：2021-12-06

公开（公告）日：2024-02-06

公开（公告）号：CN114112305B

主分类号：G01M10/00

分类号：G01M10/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.02.06#授权;2022.03.18#实质审查的生效;2022.03.01#公开

摘要：本发明涉及一种内外流夹击的柔性立管流固耦合效应测试装置及方法，装置由立管模型、上游管段倾角调节系统、张紧力测试模块、内流循环系统、流场监测系统、振动监测系统和数据采集终端组成。通过调节球形接头升降杆改变立管模型上游管段下倾角，调节循环水槽水泵泵频、出水闸门开度改变循环水槽内水位高度及外流流速，调节液路阀门、气路阀门开度改变气液流速及气液比。通过声学多普勒测速仪、压力传感器、高速摄像机、粒子成像测速相机综合得到流速、压力、气液两相流流型、位移和尾流场信息，揭示内外流夹击的柔性立管流固耦合效应机理。

主权项：1.一种内外流夹击的柔性立管流固耦合效应测试装置，由立管模型1、上游管段倾角调节系统、张紧力测试模块、内流循环系统、流场监测系统、振动监测系统和数据采集终端组成；装置主体布置于循环水槽9中，立管模型1为外壁面沿轴向均匀标记有黑色标记点2的透明软管，用于模拟柔性立管，立管模型1垂直于循环水槽9底壁的中部轴线布置，立管模型1顶部固定连接于顶张力固定装置31底部，立管模型1底部固定连接于循环水槽9底壁上的球形接头3；上游管段倾角调节系统包括球形接头3、刚性管5、球形接头升降杆13、升降杆固定装置11和滑动桁架10，刚性管5与来流方向平行布置，刚性管5的出口端通过固定在循环水槽9底壁上的球形接头3与立管模型1连通，刚性管5的入口端穿过连接在球形接头升降杆13上的球形接头3，球形接头升降杆13通过升降杆固定装置11连接于滑动桁架10，且升降杆固定装置11为球形接头升降杆13提供支撑，球形接头升降杆13表面刻有标尺；张紧力测试模块由顶张力固定装置31、牵引钢丝32、张力传感器33、预张力设置器34、支撑立板35、滑动桁架10、空气滑块36和空气滑轨37组成，垂直拉伸的牵引钢丝32一端与顶张力固定装置31顶部相连，牵引钢丝32的另一端穿过张力传感器33后与固定在支撑立板35上的预张力设置器34相连，支撑立板35与空气滑轨37固定连接于滑动桁架10，空气滑块36一侧与顶张力固定装置31固定连接，空气滑块36的另一侧套装在空气滑轨37上沿空气滑轨37无摩擦地上下滑动，实现顶张力固定装置31随立管模型1的张力变化而在竖直方向上作微小运动，通过调节预张力设置器34给立管模型1预设张紧力，通过连接在牵引钢丝32上的张力传感器33实时监测立管模型1的轴向张紧力，并将数据传递给数据采集终端；内流循环系统由供液系统、供气系统、T形三通15、直通14、跨接管40、弯头6、柔性管7及内流供给支撑系统组成，供液系统由水箱23、潜水泵22、液路阀门18和液体流量计16组成，水箱23内水位高于潜水泵22顶部，水经潜水泵22泵入管道，依次经液路阀门18调节和液体流量计16监测流量后流入T形三通15，供气系统由气泵21、缓冲罐20、气路阀门19和气体流量计17组成，空气经气泵21泵入缓冲罐20稳压，稳压后的空气通过气路阀门19调节流量，并经气体流量计17计量后进入T形三通15，水和空气在T形三通15处汇合后进入跨接管40，气液两相流沿跨接管40流动，在进入立管模型1上游管段前通过直通14转接入柔性管7，气液两相流在柔性管7内沿循环水槽9边壁向下流至循环水槽9底壁，柔性管7底部通过弯头6连接刚性管5，内流供给支撑系统由内流供给支撑台39和伸缩支撑杆38组成，内流供给支撑台39布置于循环水槽9一侧，在内流供给支撑台39上布置供液系统及供气系统，伸缩支撑杆38位于跨接管40下方连接内流供给支撑台39及循环水槽9边壁，气液两相流流过上游管段及立管模型1后经顶张力固定装置31流出，再通过管道接至水箱23上方，使空气从管道出口排入大气，液体则回落至水箱23，从而构成内流循环回路；流场监测系统由声学多普勒测速仪8、声学多普勒测速仪升降杆12、压力传感器4、激光发射器27和粒子成像测速相机28组成，声学多普勒测速仪8布置于上游管段倾角调节系统上游，通过声学多普勒测速仪升降杆12实现对声学多普勒测速仪8在竖直方向上的高度调节，测量立管模型1所在平面的外流垂向流速剖面，压力传感器4分别布置于T形三通15出口、立管模型1的入口和出口，用于监测管内沿程压降和不同气液流速下立管模型1内部的压力波动，激光发射器27布置于循环水槽9侧壁外，通过调节三脚架26使激光发射器27在立管模型1的不同高度位置发射出平行于循环水槽9底壁的激光平面，照亮该平面内的示踪粒子，粒子成像测速相机28布置于循环水槽9下方，且粒子成像测速相机28镜头正对激光平面，通过捕捉激光平面内示踪粒子的运动得到不同高度位置立管模型1尾部的流场信息；振动监测系统由正视高速摄像机24、俯视高速摄像机25、平面镜29和折叠支撑杆30组成，两台高速摄像机通过捕捉均匀分布在立管模型1外壁的黑色标记点2位移得到立管模型1的振动位移，正视高速摄像机24正对立管模型1布置于循环水槽9侧壁外，用于监测立管模型1流向的振动位移，此外，正视高速摄像机24同时监测立管模型1及上游管段内部的气液两相流流动细节，俯视高速摄像机25布置于循环水槽9下方；其特征在于：调节球形接头升降杆13在竖直方向上的高度以调整球形接头3与循环水槽9底壁的距离，从而实现立管模型1上游刚性管5下倾角的调节；调节球形接头升降杆13时柔性管7下游刚性管5跟随球形接头3一起升高，拉伸伸缩支撑杆38使柔性管7、内流供给支撑台39、供液系统和供气系统一起向外推出，使沿循环水槽9边壁布置的柔性管7沿循环水槽9顶端平面向循环水槽9外移动，避免柔性管7过度拉伸或折叠，减少对内部气液两相流流动细节和压力的影响；通过支撑于循环水槽9底部的折叠支撑杆30调节平面镜29的角度，使俯视高速摄像机25镜头能通过平面镜29完整捕捉立管模型1，从而实现立管模型1横向振动位移的监测；声学多普勒测速仪8、压力传感器4、粒子成像测速相机28、正视高速摄像机24、俯视高速摄像机25均接入数据采集终端，由数据采集终端同步触发监测，压力传感器4、正视高速摄像机24和俯视高速摄像机25的同步监测使压力波动、气液两相流流动和立管模型1振动数据同步，得到立管模型1在内外流夹击下的流固耦合三维振动响应结果，同时得到内外流流场信息，以揭示流固耦合响应机理。

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